JP2002527833A - 画像から構造の幾何学的データを導出する方法 - Google Patents

画像から構造の幾何学的データを導出する方法

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JP2002527833A JP2000576409A JP2000576409A JP2002527833A JP 2002527833 A JP2002527833 A JP 2002527833A JP 2000576409 A JP2000576409 A JP 2000576409A JP 2000576409 A JP2000576409 A JP 2000576409A JP 2002527833 A JP2002527833 A JP 2002527833A
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Abstract

(57)【要約】 ある構造の画像からその構造の幾何学的データを導出する方法は、画像内のマーカーポイントの選択を含む。典型的な輪郭は、マーカーポイントに関連付けられ、典型的な輪郭から幾何学的データが計算される。本発明によると、正確さの値は、マーカーポイントに関連付けられる。正確さの値は、マーカーポイントと、典型的な構造の（解剖学的な）特徴との対応の信頼性を示す。更に、費用関数は典型的な輪郭に関連付けられており、費用関数は、指示点の正確さの値に依存する。典型的な輪郭は、費用関数が極大値又は極小値のような最適値となるよう配置される。この方法は、患者の脊柱に関する角度や距離などの幾何学的データを導出するのに、特に好適である。幾つかの明確に認識できるマーカーポイントは手で指示され、導出点は、手で指示されるマーカーポイントの間を補間することによって得られることが好適である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、構造の画像からその構造の幾何学的データを導出する方法に係り、 ・画像内でマーカーポイントが選択され、 ・前記マーカーポイントに典型的な輪郭が関連付けられ、 ・前記典型的な輪郭から幾何学的データが計算される。
【０００２】 本発明は、更に上記方法を実行するように配置されたデータプロセッサに係る
。
【０００３】 このような方法は、「Digital radiography segmentation of scoliotic vert
ebral body using deformable models」という文献が、１９９７年発行のSPIE第
３０３４号に掲載されており、公知である。
【０００４】 この公知の方法は、検査される患者の脊柱の画像から、健康な脊柱に対しての
変形の程度を導出することを特に目的とする。公知の方法によると、各脊椎骨は
、変形した基準テンプレートによって近似される。テンプレートはやや丸みを帯
びた台形で、それぞれの脊椎骨の統計的な平均寸法に対応する寸法を有する。こ
のような統計的な平均値は、脊柱側湾症により変形した脊柱を有する多数の患者
の脊椎骨の寸法から決められる。画像内で当該の脊椎骨にできるだけ良好に対応
するように、それぞれのテンプレートは、高さと個々の平行な辺とを拡縮するこ
とにより、変形される。基準テンプレートは、高さと拡縮変数の個数とによって
特徴付けられる。基準テンプレートの辺の寸法と、基準テンプレートの窪んだ辺
の曲率半径とは、高さと拡縮変数のうちの一つのそれぞれの積である。異なる脊
椎骨に対して、別々の高さと拡縮変数の値が存在する。このように、公知の方法
は、脊柱には異なる形と寸法とを有する脊椎骨が含まれることを考慮する。拡縮
変数の値は、文献から公知のデータを基に推定されている。高さの値は、脊柱側
湾症患者の多くのＸ線画像から導出されている。画像内の脊柱の縁部に対応する
典型的な輪郭は、基準テンプレートから導出される。更に、導出された典型的な
輪郭上に特定の位置が指示される。映像化された脊柱の三次元再構成は、前記の
特定の位置を基に行なわれる。
【０００５】 公知の方法を実行するには、基準テンプレートを形成するために、多数の患者
の脊柱中多数の脊椎骨の特徴的な寸法を決定する必要がある。基準テンプレート
を画像内の脊椎骨に対応させるためには、目視により脊柱の中心軸が推定され、
その推定中心軸上に幾つかのマーカーポイントが指示される。中心軸は、その後
、軸上の指示される指示マーカーポイントを通る三次曲線によって、続いて近似
される。次に基準テンプレートは、三次曲線に沿ってできるだけ良好に分布され
るよう変形される。これにより、公知の方法は幾分扱いにくくなる。公知の方法
は、脊柱側湾症の平均的脊柱に関連する基準テンプレートを使用するため、深刻
な異常が在る脊柱に関する空間的幾何学的データを正確に得るには、公知の方法
はあまり適してはいない。
【０００６】 特に、画像が脊柱のＸ線画像に関する場合、マーカーポイントのある部分が可
視ではないということがしばしば起こる。Ｘ線画像に再現される脊椎骨のコント
ラストは、しばしばマーカーポイントを見るのには十分ではない。たとえすべて
のマーカーポイントがＸ線画像上で可視だとしても、そのうち全ての点が、画像
内でその位置を正確に指示できる程明確であるわけではない。
【０００７】 本発明は、周知の方法よりも扱いやすく、更により正確な結果を導出し、当該
の構造の画像からその構造の幾何学的データを導出する方法を提供することを目
的とする。
【０００８】 この目的は、以下のように特徴付けられる、当該の構造の画像からその構造の
幾何学的データを導出する方法により達成される。 ・前記マーカーポイントに正確さの値が関連付けられる。 ・前記典型的な輪郭に費用関数が関連付けられており、その費用関数は、典型的
な輪郭の形と正確さの値とに依存し、典型的な輪郭は、費用関数が最適値を有す
るように選択される。
【０００９】 選択される各マーカーポイントに対して、正確さの値は、マーカーポイントが
構造の典型的な解剖学的な細部に正確に対応する可能性を示す。本発明に係る方
法を使用することは、検査される患者の脊柱の空間的幾何学的データの決定に関
する。この方法では、マーカーポイントは画像上で脊椎骨の隅と、その脊椎体の
縁部の解剖学的に典型的な点とに対応するように選択され位置が決められる。マ
ーカーポイントは、常に好適に可視なように画像に再現されるわけではなく、こ
れは脊柱の画像がＸ線画像の場合に特に起こる。しかし、マーカーポイントは、
例えば、脊柱の磁気共鳴画像の場合においても常に明確に可視ではないというこ
とを明記する。典型的な輪郭とマーカーポイントを関連付けることにより、本発
明による方法は、すべてのマーカーポイントが脊柱の当該の位置に等しく正確に
対応するわけではないという事実を考慮する。 典型的な輪郭を関連付けるとき、費用関数の値が計算され、典型的な輪郭は費用
関数が最適値を有するように決定される。費用関数は、マーカーポイントの正確
さの値に依存する。このように費用関数が最適である典型的な輪郭は、主として
高い正確さの値を有するマーカーポイント、すなわち、脊柱のような構造の解剖
学的に当該する典型的な位置に、正確に対応することがかなり確かであるマーカ
ーポイントにより決定される。典型的な輪郭は、画像内の問題の構造の境界線に
正確に対応する。しばしば、そのような典型的な輪郭は、例えば、その構造が脊
椎骨である場合のように閉じたループである。典型的な輪郭は、更に別々の接続
されていない曲線部や直線部を含む場合がある。例えば、各マーカーポイントの
正確さの値は、マーカーポイントの輝度値と、当該のマーカーポイントの付近の
画像内の位置の輝度値との差に依存する。一般的に、好適なマーカーポイントは
解剖学的に典型的な位置に対応する。その場合、当該のマーカーポイントでの輝
度値と、当該のマーカーポイントの付近の各方向の輝度値との差には、幾分予め
決められた値を有する。例えば、そのような差は、マーカーポイントが筋肉組織
又は肺組織のようにより柔らかくあまり密度の濃くない組織によって囲まれてい
る脊椎骨のような骨の隅に位置する場合に起こる。画像内のそのような差と所定
の差の対応が良好であればあるほど、当該のマーカーポイントとそれに対応する
解剖学的に典型的な位置との正確な対応の可能性が高くなる。従って、正確さの
値は、所定の差又は、当該のマーカーポイントの付近の輝度値の別の方向の勾配
とに依存することが好適である。当該の解剖学的な位置に対応するかどうか確か
ではないマーカーポイントは、典型的な輪郭に対して小さな効果しか有さない。
費用関数は典型的な輪郭の形にも依存するので、起こりそうもない形の典型的な
輪郭を関連付けることが妨げられ、反対に期待され頻繁に起こる形の典型的な輪
郭の関連付けることが達成される。例えば、費用関数は、費用関数の高い値が、
典型的な輪郭の方向が多数の場所で突然変わる典型的な輪郭に関連付けられるよ
う選択される。
【００１０】 本発明による方法の内容では、費用関数の最適値は、当該の構造の幾何学的形
状を正確に示す典型的な輪郭に関連付けられた費用関数の値を意味すると理解さ
れる。これは、典型的な輪郭が、マーカーポイントに関連付けられ、しかし典型
的な輪郭からは外れる曲線については、費用関数の値が、例えば最適値よりも高
い又は低くなるよう形成され、この場合、最適値はそれぞれ極大又は、極小であ
ることを意味する。
【００１１】 本発明による方法を使用すると、典型的な輪郭は、特に、検査される患者の脊
柱である構造の空間的幾何学的形状を正確に示す。典型的な輪郭とは、例えば一
連の脊椎骨の中心を通る曲線である。典型的な輪郭は、更に脊柱の縁部を示す場
合もある。検査される患者の脊柱の空間中の方向は、典型的な輪郭の様々な種類
によって導出することができる。このスペース内のコースは、コッブ角と呼ばれ
る小さな数の値と、各脊椎体の互いの向きとによって特に示される。コッブ角と
は、夫々の脊椎骨の互いに対する上部と下部とによって囲まれる角度を指す。脊
椎骨の各対のコッブ角は、脊柱の三次元形状を正確に示す。本発明による方法は
、検査される患者の脊柱の、脊柱側湾症による変形の展開を正確に追うのに好適
な技術的な支援となることが特に分かっている。本発明は、検査される患者の胸
部の幾何学的データを導出するのにも好適である。
【００１２】 本発明の上記及び他の面を、従属項に定義される以下の実施例に基づき詳細に
説明する。
【００１３】 本発明によると、最初に、手で幾つかのマーカーポイントが示されることが望
ましい。すべての当該のマーカーポイントのうち、通常幾つかのマーカーポイン
トが画像内で明確に可視である。このように明確に可視であるマーカーポイント
は、直ぐに手で示すことが可能である。このような指示は、例えばワークステー
ションのモニタに画像を表示することや、カーソルによってマーカーポイントを
指示し、それぞれのマーカーポイントを指示した後、カーソルの位置が記憶され
ることで実現可能である。更に、モニタのディスプレイ画面上のマーカーポイン
トをポインタで触り、ポインタにより触れられたモニタのディスプレイ上の位置
を記憶することによってもマーカーポイントは指示される。更に、放射能フィル
ム上のマーカーポイントをデジタイザによって指示することにより、マーカーポ
イントは指示される。多くの場合、画像内で全く又はあまりよく見えないマーカ
ーポイントの位置は、指示マーカーポイントから導出可能であることが分かる。
画像に係る構造が事前に決定される場合、通常、指示マーカーポイントから、そ
れらの間に位置する他のマーカーポイントを導出することが特に可能である。こ
の目的のためには、最も明確に可視であるマーカーポイントを単に指示するだけ
でよく、使用者は、画像内のあまりよく見えないマーカーポイントを探す努力を
する必要がない。周期的な構造に係る画像の場合、導出マーカーポイントは、指
示マーカーポイントに基づいて特によく発見することができる。導出マーカーポ
イントの位置は、指示マーカーポイントの位置の補間により簡単に発見できる。
特に周期的な構造に係る画像の場合、補間法によって、とても正確な結果が得る
ことができる。
【００１４】 映像化された構造は、幾分複雑な空間的形状を有する場合がある。映像化され
た構造は、特に複数のセクタを含む場合がある。これらのセクタのうち、幾つか
は画像上で好適に可視であるが、その他のセクタは、識別することがより困難で
ある。このような場合、指示セクタ内のみで指示マーカーポイントを指示するこ
とが便利である。導出セクタ内の導出マーカーポイントは、指示セクタ内の指示
マーカーポイントにより導出され得る。導出セクタは、例えば画像内では識別す
ることが困難である場合がある。セクタの数と、例えば、構造内の一連のセクタ
の周期性は通常既知なので、指示マーカーポイントと導出マーカーポイントとは
、すべての指示セクタ内と導出セクタ内で容易に決定される。導出マーカーポイ
ントが、指示マーカーポイントと関連して正しい周期性を有するセクタの既知数
を示すように選択されることを確実にすることにより、セクタを見過ごすことは
容易に防げる。少ない数の指示セクタ内でのみ指示マーカーポイントを手で指示
することにより、更に時間を節約することが可能である。画像が脊柱に関するも
のである場合、セクタは各脊椎骨に関係する。
【００１５】 典型的な輪郭は、構造の中心軸を示すことが望ましい。映像化された構造が細
長い形を有する場合、中心軸は、主にその構造の互いに関係する各部分の空間的
な向きを示す。検査される患者の脊柱の中心軸を、典型的な輪郭とみなすことは
特に有益である。その中心軸は、互いに対する各（群の）脊椎骨の向きを正確に
指示する。脊柱の中心軸は、ポリベジェ（poly-Bezier）曲線、又は三次曲線、
又はスプライン曲線などのような滑らかな曲線を少数の導出マーカーポイントに
通してプロットすることによって、導出可能であることが明らかになっている。
そのような導出マーカーポイントは、同じ脊椎骨の隅に対向して位置する点にあ
る２点のマーカーポイントの中間のところで、一連の脊椎骨のために導出される
ことが好適である。
【００１６】 もう一つの典型的な輪郭は、映像化された構造の縁部を示す。この典型的な輪
郭は、複数の部分を含む場合があり、その部分はそれぞれ映像化された構造の別
の縁部を示す。構造の縁部を示す典型的な輪郭は、画像内の輝度値の勾配又は差
によって、正確に決定することが可能である。縁部の両側の輝度値の差は、通常
、映像化された構造の内側又は外側の差よりもずっと大きい。映像化された構造
の縁部を示す典型的な輪郭は、更に各セクタの縁部に関連する場合もある。画像
内で縁部を示す典型的な輪郭は、画像の勾配画像から導出されることが好適であ
る。そのような勾配画像には、構造の画像内の付近の位置の輝度値の差が含まれ
る。勾配画像は、画像内の輝度勾配の方向も更に含むことが好適である。これは
、勾配画像が、輝度勾配のベクトル（大きさと方向）と画像内の異なる位置とを
関係付けることを意味する。典型的な輪郭の費用関数は、勾配画像内で例えば所
定の方向に大きな輝度勾配が起こる曲線が、画像内では強く好まれることによっ
て選択される。
【００１７】 多くの場合、構造の中心軸に対するセクタの縁部に取り囲まれるおおよその角
度は、予め分かっている。例えば、各脊椎骨の縁部は、脊柱の中心軸の横方向に
延在する。各セクタの縁部の検索を容易にするために、中心軸に対して既知の角
度に対応する方向に大きい輝度勾配を有する位置に沿って、典型的な輪郭を最適
値に関連付ける費用関数が使用される。好適な費用関数は、例えば輝度勾配と典
型的な輪郭の方向ベクトルのスカラー積に依存する。
【００１８】 本発明の上記及び他の面は、以下の実施例を基にし、検査される患者の脊柱の
映像化に関する例を基にする本発明を示す添付図面を参照して以下に詳細に説明
する。
【００１９】 本発明では、画像は検査される患者の脊柱のＸ線画像である。各Ｘ線画像は、
脊柱の陰影投射を示す。しかし、本発明は、例えばコンピュータによる断面Ｘ線
撮影画像、磁気共鳴画像、又は超音波画像のような他の種類の画像にも、同等に
良好に使用される。
【００２０】 図１は、指示マーカーポイントの手による指示と、導出マーカーポイントの導
出とを示す。図１は、検査される患者の脊柱のＸ線画像を示す。手で指示される
マーカーポイントは、白い十字１で表す。白い十字は、脊椎骨の明確に認識でき
る隅の点１１と、二つの明確に認識できる内側の縁部上の点１２とに、使用者に
よって付けられる。導出マーカーポイント２の位置は、指示マーカーポイントの
位置と、指示マーカーポイントが指示される脊椎骨の間にある脊椎骨の既知数と
に基づき計算される。図１では、導出マーカーポイント２は、黒の十字で示され
る。導出マーカーポイント２の位置の第１の推定は、指示マーカーポイント１の
位置の補間により行う。導出マーカーポイント２の計算は、異なる方向に亘る輝
度勾配に基づき、導出マーカーポイント２の推定位置内の導出マーカーポイント
２の正確な位置を計算することによりよくなる。
【００２１】 図２は、構造の中心軸を表す典型的な輪郭を示す。この典型的な輪郭は、まず
、図１に図示するように、対向するように設置される二つのマーカーポイント１
と２との間に中心点３を決定して、計算される。中心点３自体も、当該の脊椎骨
のそれぞれの解剖学的中心に関係する導出マーカーポイントである。続いて、中
心点３にポリベジェ曲線が通るようにプロットされることが好適である。このポ
リベジェ曲線は、脊柱の中心軸を示す典型的な輪郭４である。しかし、曲線と中
心点とを、最小誤差方法によって関係付けることにより、中心軸を示す典型的輪
郭４は、同等に良好に導出されることが可能である。この場合、典型的な輪郭４
では、すべての中心点３を通る必要がない。ポリベジェ曲線として、又は最小誤
差方法を使用することによって典型的な輪郭４を導出する過程で、典型的な輪郭
４は主に高い正確さの値を有する中心点によってのみ影響を受けるように、中心
点の正確さの値を考慮することが有益である。
【００２２】 図３は、構造の縁部を表す典型的な輪郭５を示す。典型的な輪郭５は、典型的
な輪郭が二つの別のサブ曲線５１、５２を含むので、特にマルチ・コヒーレント
ある。それぞれのサブ曲線５１、５２は、構造、すなわち脊柱の縁部を形作る。
二つのサブ曲線は、中心軸とほぼ平行に延在する線については、画像上のどこに
中心軸に対して横方向に強い輝度勾配が起きているかを確認することにより、中
心軸を示す典型的な輪郭に基づいて導出される。
【００２３】 図４は、構造内のセクタの境界線を表す典型的な輪郭６を示す。図示される構
造は、複数の脊椎骨を有する脊柱で、本例では各脊椎骨が構造のセクタを構成す
る。各境界線は、中心軸を示す典型的輪郭４の大きな数の点から始め画像上のど
こに中心軸とほぼ平行の方向に大きな輝度勾配が起きているのか、典型的輪郭を
横断する線に沿って確認することにより導出される。この動作は、費用関数に基
づき、画像内の最適路を決定することにより行われ、この線に沿った輝度勾配が
、中心軸に平行な方向に大きくなるほど、この線のための費用関数の値も大きく
なる。更に、脊椎骨の中間の高さに対応する距離で、互いに配置される線の対が
更に好ましいよう費用関数が選択される。
【００２４】 脊柱の変形があるとした場合に、これを表す一組の幾何学的変数の値は、様々
な典型的輪郭から計算される。そのような幾何学的変数の例として、コッブ角、
脊椎骨の高さ、脊椎骨の離間距離が挙げられる。検査される患者のこのような幾
何学的変数の値は、簡単な計算を用いて、典型的な輪郭から導出できる。様々な
典型的輪郭を組み合わせることにより、脊柱の三次元再構成を計算することが可
能である。このような場合、複数の画像から個々の典型的な輪郭を導出すること
が有利である。そのような複数の画像は、例えば、異なる投影方向からの投影陰
影画像を再生する。
【００２５】 本発明による方法は、例えば脊柱側湾症の程度によって、内科医が診断をする
際の技術的な支援として使用可能な幾何学的データをもたらす。
【００２６】 本発明による方法は、請求項１０に定義されるデータプロセッサにより行われ
ることが好適である。このようなデータプロセッサは、例えば、本発明によるデ
ータプロセッサの様々な機能を行うようプログラミングされたコンピュータ又は
電子（マイクロ）プロセッサである。また、データプロセッサは、本発明による
データプロセッサの様々な機能を実行するよう特別に設置される電子回路を含む
、専用の目的のために使用されるプロセッサとして、更に構築される場合もある
。
【図面の簡単な説明】
【図１】 指示マーカーポイントの手による指示と、導出マーカーポイントの導出とを示
す図である。
【図２】 構造の中心軸を表す典型的な輪郭を示す図である。
【図３】 構造の縁部を表す典型的な輪郭を示す図である。
【図４】 構造内のセクタ境界線を表す典型的な輪郭を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 Ｇｒｏｅｎｅｗｏｕｄｓｅｗｅｇ １， 5621 ＢＡ Ｅｉｎｄｈｏｖｅｎ， Ｔｈ ｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ (72)発明者 ドヴィレル，シルヴァン オランダ国，5656 アーアー アインドー フェン，プロフ・ホルストラーン ６ (72)発明者 ラクル，フィリップ オランダ国，5656 アーアー アインドー フェン，プロフ・ホルストラーン ６ Ｆターム(参考） 4C093 AA26 CA50 DA10 FD07 FD08 FF13 FF17 FF18 FF21 FF22 FF28 FF42 FG13 5B057 AA08 BA03 CA02 CA08 CA12 CA16 CB02 CB08 CB12 CB16 DA07 DA16 DB02 DB05 DB09 DC02 DC08 DC16 5L096 AA03 AA06 BA13 DA01 FA06 FA09 FA62 FA67 HA08 JA11

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 構造の画像内でマーカーポイントが選択され、 前記マーカーポイントに典型的な輪郭が関連付けられ、 前記典型的な輪郭から幾何学的データが計算される、構造の画像からその構造
    の幾何学的データを導出する方法であって、 前記マーカーポイントに正確さの値が関連付けられ、 前記典型的な輪郭に費用関数が関連付けられ、 前記費用関数は典型的な輪郭の形と正確さの値に依存し、 前記典型的な輪郭は費用関数が最適値を有するよう選択されることを特徴とす
    る方法。
  2. 【請求項２】 マーカーポイントの選択は、指示マーカーポイントを手で指
    示すること、及び、 手で指示された指示マーカーポイントから導出される導出マーカーポイントを
    決定することを特徴とする請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 導出マーカーポイントは、手で指示される指示マーカーポイ
    ントから、補間によって導出されることを特徴とする請求項２記載の方法。
  4. 【請求項４】 典型的な輪郭は、構造の中心軸を表すことを特徴とする請求
    項１記載の方法。
  5. 【請求項５】 典型的な輪郭は、構造の縁部を表すことを特徴とする請求項
    １記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記画像から勾配画像が計算され、 典型的な輪郭は、勾配画像から導出されることを特徴とする請求項５記載の方
    法。
  7. 【請求項７】 構造は複数のセクタを有し、 指示マーカーポイントは多数の指示セクタ内に手で指示され、 導出マーカーポイントは指示セクタ間に位置する導出セクタ内で決定されるこ
    とを特徴とする請求項２記載の方法。
  8. 【請求項８】 典型的な輪郭には、一つ以上のセクタのセクタ境界線が含ま
    れることを特徴とする請求項７記載の方法。
  9. 【請求項９】 構造の中心軸を表す中心の典型的な輪郭はマーカーポイント
    に関連付けられ、 構造の縁部を表す縁部輪郭はマーカーポイントに関連付けられ、 縁部の典型的な輪郭の方向は中心の典型的な輪郭の方向に基づいて導出される
    か、又は、 中心の典型的な輪郭の方向は縁部の典型的な輪郭の方向に基づいて導出される
    ことを特徴とする請求項１記載の方法。
  10. 【請求項１０】 画像から構造の幾何学的データを導出するよう配置され、 画像内でマーカーポイントを選択し、 典型的な輪郭をマーカーポイントに関連付け、 典型的な輪郭から幾何学的データを計算するプロセッサであり、 正確さの値をマーカーポイントに関連付け、 費用関数を典型的な輪郭に関連付け、 前記費用関数は典型的な輪郭の形と正確さの値に依存し、 典型的な輪郭は前記費用関数が最適値となるよう選択するよう配置されること
    を特徴とするデータプロセッサ。
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